变形电子技术在植入和移动医疗传感器方面具有潜力

盛开的花朵为动态变形电路提供了灵感,这些电路可用于医学和软机器人的许多应用

多变的电子产品
未来的医疗植入物可能以可重新配置的电子平台为特色,这些电子平台可以随着身体的变化而动态改变形状和大小,或者从一个区域转移到我们身体的另一个区域。在《应用物理快报》上,一组研究人员报道了一种硅蜂窝状蛇形可重构电子平台,它可以动态变形成三种不同的形状:四叶状(四个裂片)、星形和不规则形。这张图片显示:(a)蛇形蜂窝可重构平台。(b)突出八个重新配置节点的设计。(c)不规则配置。(d)四翼型结构。(e)星型结构。信贷:穆罕默德侯赛因

该电路是阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)和加州大学伯克利分校合作的结果,该团队将其称为“硅蜂窝蛇形可重构电子平台”。这项研究的主要原因是,这在应用物理快报他的目标是设计出能够通过拉伸、弯曲和扭转来顺应人体不断变化的形状的系统。

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该团队描述了三种不同形状的电路,而不影响元件之间的连通性:四叶型(四瓣形状)、星形和不规则形状。“Quatrefoils可以用于基于矩形物体的操作,而恒星是用于更复杂的建筑,而不规则形状的是专门用于植入生物电子学的,”合著者、加州大学伯克利分校的访问教授Muhammad Hussain说。

Hussain解释说,与许多工程系统一样,变形电路的灵感来自大自然。“想想花是如何盛开的。基于同样的原理,我们收集了许多花朵盛开的视频,分析了它们的几何图案,并将它们用于我们的第一套设计。”特别地,我们以迭代的方式分析了它们的应力分布,考虑了设计结构、材料和它们的特性。达到最佳平衡是一个冗长乏味的过程,但这正是工程技术的帮助所在。”

特别是,该团队发现,如果消除系统内部的某些互连,电路的重构能力将得到改善。对平台的宏观版本进行了优化设计。

与许多可重构电子电路的尝试不同,Hussain和他的团队使用硅而不是导电聚合物来构成系统的主干。他们在论文中解释说,这是因为超过90%的现代电子产品都是基于硅平台,所以使用相同的材料更容易集成;此外,即使是最好的导电聚合物,硅也具有优越的半导体性能、热稳定性和电子迁移率。

然而,它也提出了问题:刚性,脆弱性和易感性的应变。蜂窝状、圆形岛屿状的电子元件和蛇形互连元件构成的电路非常适合在改变形状的同时保持连通性。“我们在设计中整合了岛屿,作为电子设备的主体,其中蛇形互连线作为机械支撑,在拉伸过程中吸收了巨大的变形。当它们被导电材料溅射时,也可以作为岛屿之间的电气互连。”

侯赛因解释说,重新配置为制造更多功能的医疗设备打开了大门。他说:“想象一下,在你的体内植入一个芯片平台来监测肩膀区域肿瘤的生长。”“在移植过程中,如果我们观察到肺功能的一些异常,一个装备足够的平台可以改变它的形状和大小,重新安置或扩大来监测肺功能。”

该团队的最终目标是制造出一种类似于套在心脏周围的植入装置,既能监测心脏的功能,又能在必要时扩大和收缩,提供机械泵送辅助。Hussain说:“在各种可重构电子平台上集成软机器人和嵌入式高性能柔性互补金属氧化物半导体(CMOS)电子方面,我们还有很长的路要走,这将是非常重要的。”“它提供了极好的工程挑战,需要真正的多学科努力,并有能力将各种学科结合到应用程序中,这是现有电子基础设施根本不可能的。”